Tropiciele nowych cząstek

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) jest najbardziej skomplikowanym z dotychczas zbudowanych akceleratorów cząstek na świecie. Znajduje się pod Genewą, na terenie Szwajcarii i Francji. Zajmuje kolisty tunel o długości 27 km, leżący 100 m pod ziemią. Fizycy budują tak potężną aparaturę, aby doświadczalnie weryfikować teorie, które opisują najbardziej podstawowe składniki wszechświata. Eksperymenty polegają na rozpędzaniu w akceleratorach lekkich cząstek (na przykład elektronów i protonów) i ich zderzaniu. Takie wysokoenergetyczne zderzenia pozwalają wytworzyć ciężkie, krótko żyjące cząstki, rzadko obserwowalne poza laboratoriami. Zgodnie ze wzorem E=mc2, energia zderzenia przekształca się w masy nowych cząstek. Te zostawiają w detektorze "ślady" w postaci impulsów elektrycznych. Dzięki wnikliwej analizie tych sygnałów można identyfikować powstałe cząstki i poszczególne procesy, w których wzięły udział. Nowe, niespotykane wcześniej ślady mogą należeć do cząstek nieznanych dotąd nauce.

Na takie właśnie wyniki, rozszerzające naszą wiedzę o podstawowych elementach Wszechświata, liczą fizycy pracujący w CERN.

Budulec świata

Najlepszą obecną teorią, znakomicie potwierdzoną w wielu eksperymentach, jest Model Standardowy. Przewiduje on istnienie trzech rodzin podstawowych składników materii: kwarków (z których składają się np. protony) i leptonów (np. elektronu) oraz tzw. bozonów, przekazujących oddziaływania między nimi. Jednak i on nie odpowiada na wszystkie pytania, których dostarcza wszechświat. Z drugiej strony, brakuje jeszcze jednego wyniku potwierdzającego tę teorię - odkrycia bozonu Higgsa, cząstki nadającej masę innym cząstkom elementarnym.

Fizycy teoretycy mają wiele pomysłów na uogólnienie Modelu Standardowego. Na przykład teoria supersymetrii przewiduje, że każda znana nam cząstka elementarna posiada (nieodkrytego dotąd) ciężkiego partnera. Inne teorie przewidują istnienie nowych rodzin kwarków i leptonów, jeszcze inne - większą liczbę wymiarów przestrzeni. Dopiero eksperyment odkryje, który scenariusz wybrała przyroda.

Sprawdzanie bardzo skomplikowanych teorii wymaga eksperymentów o coraz wyższych energiach zderzanych cząstek i coraz większej liczbie obserwowanych zderzeń. Analizy danych z wcześniejszych eksperymentów akceleratorowych wciąż dostarczają ciekawych wyników, ale nie zmienią już naszego rozumienia świata, nie staną się impulsem do nowych dociekań teoretyków. Dlatego przedłużające się prace nad uruchomieniem zderzacza LHC zaczynały już budzić niepokój i frustrację fizyków cząstek. Bo to właśnie w zbudowanym przez CERN Wielkim Zderzaczu Hadronów od dawna pokładali nadzieje na nowe odkrycia - w tym na zobaczenie bozonu Higgsa. Od wyników LHC będą też zależały plany wszystkich późniejszych eksperymentów w fizyce cząstek.

Rekordy energii

Przyspieszane cząstki wielokrotnie krążą w tunelu zderzacza, równocześnie w dwóch rurach (wiązkach), w przeciwnych kierunkach. Wraz z powolnym wzrostem ich energii kinetycznej (kilku milionowych części teraelektronowolta - TeV - po jednym okrążeniu) musi rosnąć pole magnetyczne, które pozwala im utrzymać kołowy tor ruchu. Aby uzyskać olbrzymie energie przyspieszanych protonów, Wielki Zderzacz Hadronów został wyposażony w bardzo silne magnesy zdolne wytworzyć pole magnetyczne około dwieście tysięcy razy silniejsze od ziemskiego. Większość z nich to długie na 15 m zwoje kabli nadprzewodzących, które działają w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. Tunel LHC jest zatem jednym z najzimniejszych miejsc we wszechświecie! W magnesach płynie prąd elektryczny o natężeniu kilku do kilkunastu tysięcy amperów. Dla porównania, przeciętne gospodarstwo domowe rzadko używa prądu o natężeniu stu amperów.

Tak wielkie prądy niosą ze sobą olbrzymie trudności konstrukcyjne. Przekonaliśmy się o tym we wrześniu 2008 r., kiedy LHC uległ zniszczeniu zaledwie w tydzień po pierwszym spektakularnym uruchomieniu. Bez wystarczającego testowania niektórych magnesów i pewności co do wytrzymałości wszystkich części zderzacza na duże prądy rozpoczęto przygotowania do prowadzenia od razu zderzeń o najwyższych planowanych energiach. Skończyło się fatalnie. Jeden z elementów nieoczekiwanie zaczął się nagrzewać. Zawiódł system ostrzegający przed przepływami zbyt dużych prądów, a rozgrzewający się przewód wypalił dziurę w zbiorniku z ciekłym helem, chłodzącym magnesy. Gwałtowne rozprężenie gazu do tunelu przypominało silny wybuch. Fala uderzeniowa zdołała przemieścić olbrzymie 15-metrowe magnesy w jednej z części tunelu. Eksperyment trzeba było przerwać. Po trwającym blisko roku wyjaśnianiu przyczyny awarii, okazało się, że zawiodły połączenia między magnesami, które nie były w stanie wytrzymać tak dużych prądów.

Zderzacz powtórnie uruchomiono w listopadzie ubiegłego roku. Włączanie maszyny przebiegało dużo ostrożniej niż 14 miesięcy wcześniej. Chodziło o gruntowne przetestowanie całej aparatury (akceleratora i detektorów) i ocenę jej rzeczywistych możliwości technicznych. Energie protonów nie od razu uzyskiwały duże wartości. Protony uzyskały energie aż 1,18 TeV, ustanawiając tym samym nowy światowy rekord energii przyspieszanych cząstek. Nie był to jednak rezultat o dużym znaczeniu naukowym.

Fizycy na Twitterze

Obecny start LHC to tak długo oczekiwany przez fizyków cząstek pierwszy etap eksperymentów. Każdy ze zderzanych przed kilkoma dniami protonów osiągnął energię 3,5 tys. razy większą niż jego energia spoczynkowa. Plany na najbliższych dwadzieścia miesięcy przewidują kontynuowanie zderzeń o energii 7 TeV. Jest to niestety energia dwukrotnie niższa niż zakładana w pierwotnych planach eksperymentów, nie ma więc co liczyć na to, że już niedługo LHC zrealizuje swój program badawczy. Jeśli fizykom się poszczęści, LHC odkryje nowe cząstki już w tej pierwszej fazie eksperymentu, ale na początek detektory będą rejestrować znane procesy. Osiągnięte w marcu energie już dwuipółkrotnie przewyższają energie uzyskiwane na najpotężniejszym do niedawna zderzaczu Tevatron w USA. Ale LHC ma jeszcze jedną przewagę nad amerykańskim eksperymentem: pozwala obserwować zderzenia z dużo większą częstotliwością. To istotne dla zaobserwowania nowych cząstek w rzadkich procesach: im proces rzadszy, tym dłużej trzeba prowadzić eksperyment, by zwiększyć szanse na jego zaobserwowanie. Jeśli przez najbliższe 18-24 miesiące LHC będzie pracował bez zakłóceń i tak wydajnie jak w marcu, odkrycia te staną się możliwe.

Spektakularne dokonania, w tym odkrycie cząstki Higgsa, wydają się na razie poza zasięgiem pierwszego etapu eksperymentów. Dane zebrane w tym roku będą za to bardzo pomocne dla późniejszej analizy zderzeń o energiach 14 TeV. Bo do uzyskania wyższych energii protonów konieczne są silniejsze pola magnetyczne, których wytworzenie zostanie poprzedzone powtórnymi testami magnesów nadprzewodzących oraz wymianą wszystkich połączeń między nimi - zastosowana pierwotnie technologia nie wytrzymałaby gigantycznych prądów niezbędnych, by rozpędzić protony do 14 TeV. Powtórne wykonanie łączników magnesów, których w całym tunelu jest ponad 9 tys., zajmie aż rok.

Równocześnie z powtórnym włączaniem akceleratora, CERN uruchomił potężną machinę medialną, by na bieżąco informować o swoich dokonaniach. Jeszcze w połowie zeszłego roku, gdy trwały prace naprawcze i testy detektorów, bardzo trudno było uzyskać wiarygodne informacje o postępie prac. W udzielaniu informacji dało się wyczuć nerwowość i ostrożność Oficjalne komunikaty były lakoniczne. Równocześnie dostęp do coraz większej liczby stron internetowych kolaboracji doświadczalnych był możliwy tylko po podaniu hasła, co świadczyło o zaawansowanych przygotowaniach. Ale już od listopada, kiedy stało się jasne, że pierwsze zderzenia (wtedy o energiach 2,36 TeV) są możliwe, największe grupy eksperymentalne ALICE, ATLAS, CMS i LHCb zaczęły na bieżąco publikować na swoich stronach internetowych najnowsze obserwacje z detektorów. Galeria obrazów, do tej pory dostępna wąskiej grupie badaczy, została otwarta dla wszystkich zainteresowanych. Na popularnym internetowym portalu Twitter pojawiały się notki fizyków informujące na bieżąco o postępach prac. Komentarze były radosne, lecz powściągliwe. Kolaboracje chciały udowodnić, że fizycy i ich maszyny są dobrze przygotowani do rozpoczęcia badań. Szybko ukazały się pierwsze publikacje, pokazujące, że wszystkie detektory działają sprawnie.

***

30 marca LHC rozpoczął już fazę eksperymentów, a nie kolejny etap testów. Twitter tego dnia ćwierkał bardzo radośnie co kilkanaście minut. W środku nocy na stronach CERN-u pojawiały się wideorelacje. W internecie są też dostępne filmy popularyzujące badania prowadzone w CERN-ie, a nawet regularne relacje z ważnych wydarzeń. Wiele instytutów badawczych zajmujących się fizyką cząstek umieszcza na swoich stronach najświeższe wiadomości z CERN-u. Choć na nowe odkrycia przyjdzie jeszcze długo poczekać, niewątpliwie jest to początek nowej ery fizyki cząstek.

MAGDALENA SŁAWIŃSKA pracuje w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN, współpracuje z CERN. Fizyk teoretyk, zajmuje się chromodynamiką kwantową. Przygotowuje doktorat z algorytmów komputerowych do porównania teorii z wynikami eksperymentów na zderzaczach HERA i LHC.